華英 黃陽陽

蘇州市職業(yè)大學(xué)

1 設(shè)計(jì)背景

1.1 社會需求

隨著人們消費(fèi)能力的提高，消費(fèi)結(jié)構(gòu)正不斷發(fā)生變化，對改善性產(chǎn)品的需求愈加旺盛。蠶絲被具有保暖透氣、輕盈貼身、親膚抗敏等諸多特點(diǎn)，是定位中高端的家紡產(chǎn)品，是智能紡織品的良好載體。在消費(fèi)升級的大趨勢下，蠶絲被市場雖然迎來了快速增長，但是行業(yè)整體技術(shù)水平不高、進(jìn)入門檻低，產(chǎn)品同質(zhì)嚴(yán)重，因此，蠶絲被行業(yè)企業(yè)都有著轉(zhuǎn)型升級的迫切需求。將蠶絲被與電子設(shè)備、信息化產(chǎn)品相結(jié)合，發(fā)掘其更多的功能性，向智能家紡產(chǎn)品轉(zhuǎn)型，成為蠶絲被產(chǎn)品轉(zhuǎn)型升級的一個重要方向。

1.2 研究現(xiàn)狀

根據(jù)前期的市場調(diào)研和有關(guān)文獻(xiàn)查閱可知，目前，市面上對于被窩溫度的監(jiān)測系統(tǒng)還比較少，可查詢的一款溫度傳感帶產(chǎn)品，在被子中內(nèi)嵌一條溫度傳感帶，會產(chǎn)生明顯的異物感，降低睡眠舒適度，而且傳感帶電輻射較高，存在一定的安全隱患；還有一款是貼在身上的鈕扣式傳感器，但只能監(jiān)測一個部位，而且利用雙面貼貼在身上容易脫落，獲取數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度較低。

1.3 總體設(shè)計(jì)

基于市場調(diào)研結(jié)果，吸取以上產(chǎn)品的不足，本產(chǎn)品將傳感器和蠶絲被相結(jié)合，設(shè)計(jì)開發(fā)基于藍(lán)牙傳輸?shù)男Q絲被溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)。本產(chǎn)品主要針對夏季空調(diào)蠶絲被，將其和傳感器、移動應(yīng)用App 結(jié)合，將傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)以藍(lán)牙通信的方式傳輸給手機(jī)端，可以實(shí)時監(jiān)測、記錄被窩的溫濕度變化，并通過溫濕度的數(shù)據(jù)來分析睡眠情況，針對踢被、出汗過度等場景實(shí)時報(bào)警。

2 相關(guān)技術(shù)

2.1 溫濕度傳感器

溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)的主要功能是采集環(huán)境溫濕度，并將數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙協(xié)議發(fā)送到移動端。本產(chǎn)品溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)選用具有藍(lán)牙功能的無線微控制器CC2640 和溫濕度傳感器SHT20，采用CR2032 鈕扣電池供電，將其封裝成直徑3 cm、厚度小于1 cm 的扁圓形設(shè)備，既能滿足本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集需求，又不會影響睡眠的舒適度。

CC2640 是TI 公司生產(chǎn)的針對藍(lán)牙智能應(yīng)用的SimpleLink超低功耗無線微控制器（MCU）。SimpleLink Bluetooth 低功耗CC2640 器件含有一個32 位ARM?Cortex?-M3 內(nèi)核（與主處理器工作頻率同為48 MHz），并且具有豐富的外設(shè)功能集，包括一個獨(dú)特的超低功耗傳感器控制器。此傳感器控制器非常適合連接外部傳感器，還適合用于在系統(tǒng)其余部分處于睡眠模式的情況下自主收集模擬和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。因此，CC2640 器件成為注重電池使用壽命、小型尺寸和簡便實(shí)用性的各類應(yīng)用的理想選擇。

SHT20 是瑞士Sensirion 公司生產(chǎn)的一款溫濕度傳感器，可以測量空氣溫度和濕度值，具有功耗低、體積?。? mm*3 mm）、測量精度準(zhǔn)確等特點(diǎn)，濕度的精度范圍在±3%，溫度的精度范圍為±0.3 ℃，且可以獲取到0.01 精度的溫濕度值，大大提高了本產(chǎn)品在溫差判斷時的準(zhǔn)確度。

2.2 開發(fā)平臺

原生移動應(yīng)用開發(fā)平臺兼容性差，開發(fā)周期長。隨著 Web 技術(shù)的快速發(fā)展，使用HTML5 等標(biāo)準(zhǔn)Web 技術(shù)開發(fā)擁有原生體驗(yàn)和原生功能的App，Deep Engine 使用半翻譯式原理，運(yùn)行中將Web 翻譯成Native API，強(qiáng)大的混合渲染引擎提供更佳的性能體驗(yàn)。本產(chǎn)品選擇APICloud 開發(fā)平臺，使用標(biāo)準(zhǔn)Web語言開發(fā)。該平臺將大量移動應(yīng)用所需的功能“模塊化”封裝，在開發(fā)App 時，采用“積木拼裝”的開發(fā)方式，通過JavaScript 語言調(diào)用模塊接口，無需單獨(dú)開發(fā)，從而大幅縮短開發(fā)周期。

3 詳細(xì)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

3.1 傳感器位置的選擇

在蠶絲被中，傳感器位置的選擇對監(jiān)測結(jié)果的正確與否有著非常大的影響。本系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)是睡眠時人體的溫度變化，作為分析、報(bào)警的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。蠶絲被有著極好的保溫性，可以起到阻隔溫度的作用，因此，蠶絲被靠近人體的一側(cè)更接近人體睡眠時的溫度，遠(yuǎn)離人體的一側(cè)受人體溫度變化較小，更接近環(huán)境溫度。本系統(tǒng)選擇把傳感器布置在蠶絲被絲棉套內(nèi)側(cè)，與人體距離更近，對被窩環(huán)境溫度的監(jiān)測更加直接和迅速。

本系統(tǒng)的一個主要功能是根據(jù)溫度變化判斷是否踢被并報(bào)警。人體的腹部、胸部和腿部是保暖的主要部位，本系統(tǒng)選擇這3 處作為監(jiān)測的主要位置，3 個傳感器對應(yīng)胸、腹、腿的位置，如圖1 所示，其中，將腹部傳感器定位在蠶絲被縱向中軸線中心偏上的位置，胸部傳感器定位在縱向中軸線距頂部1/4 位置，腿部傳感器定位在縱向中軸線距底部1/4 位置。

圖1 傳感器位置

通過采集溫度測試數(shù)據(jù)分析，如圖2 所示，睡眠時胸、腹兩部分和蠶絲被貼合比較緊密，在睡眠過程中溫度穩(wěn)定，但是一旦翻身或踢被，溫度變化就較為明顯，具體可參考圖2中紅色和黃色曲線。腿部本身的溫度比腹部和胸部要低，同時，由于腿部與蠶絲被接觸面積小，即使在蓋被睡眠過程中，溫度起伏也比較大，如圖2 中藍(lán)色曲線所示。

圖2 睡眠時溫度變化

3.2 溫度變化規(guī)律

在室溫20～26 ℃的環(huán)境下做了大量測試數(shù)據(jù)，并對其進(jìn)行分析，總結(jié)出溫度的變化規(guī)律如下（1）入睡時蓋上蠶絲被，3 個采集點(diǎn)溫度會不斷上升，腿部溫度會略低于胸、腹部溫度，但3 個采集點(diǎn)最終會穩(wěn)定在30 ℃以上。（2）進(jìn)入睡眠階段，如果沒有翻身移動，溫度會平穩(wěn)地恒定。（3）如果出現(xiàn)翻身移動，會因?yàn)榭諝饬魍ā崃繐p耗而導(dǎo)致溫度下降，但是只要被子沒有離開身體，下降一段時間后會重新升溫。本文截取了正常睡眠狀態(tài)下溫度下降時間最長的一組數(shù)據(jù)，如表1 所示，可知，3 個傳感器溫度或持平或下降持續(xù)了7 min，隨后傳感器3 出現(xiàn)了升溫。（4）如出現(xiàn)踢被情況，蠶絲被離開人體，沒有了人體的熱度，受室溫影響，被子溫度會出現(xiàn)持續(xù)下降趨勢，只要在此過程被子沒有被重新蓋上，整個下降過程中不會出現(xiàn)升溫的情況。但由于蠶絲被本身的保溫性，踢被后溫度先會明顯下降，后面會趨于平緩，如要完全降至室溫，需要持續(xù)數(shù)小時，溫度變化如圖3 所示。

表1 正常睡眠翻身溫度變化數(shù)據(jù)

圖3 踢被后溫度變化

3.3 數(shù)據(jù)采集顯示

圖表可以更清晰地反映每個睡眠過程的溫度變化情況。本系統(tǒng)移動端App 利用圖表插件Chart.js 顯示采集數(shù)據(jù)，Chart.js 使用HTML5 畫布canvas 元素生成圖表，不僅可以兼容所有瀏覽器，也可以很方便地實(shí)現(xiàn)不同終端的適配。本系統(tǒng)需要同時讀取3 個傳感器溫濕度值，而藍(lán)牙連接在同一時刻只能以一對一的方式連接，因此，選擇將溫濕度值以藍(lán)牙廣播的方式傳遞。傳感器每秒鐘發(fā)送實(shí)時獲取的溫濕度數(shù)據(jù)，移動端利用APICloud 提供的ble 模塊實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙交互。ble 模塊提供的getPeripheral（）方法獲取當(dāng)前掃描到的所有外圍設(shè)備信息，通過name 屬性篩選蠶絲被中的傳感器，可以選擇讀取3 個傳感器中任意一個數(shù)據(jù)，如圖4所示只選擇了腹部和腿部兩個傳感器。

manufacturerData 屬性值即是發(fā)送的廣播數(shù)據(jù)。傳感器發(fā)送的藍(lán)牙廣播數(shù)據(jù)是以十六進(jìn)制數(shù)表示的，本系統(tǒng)發(fā)送的藍(lán)牙廣播數(shù)據(jù)值如圖5 所示，其中，5—8 位是溫度值的十六進(jìn)制表示，9—12 位是濕度值的十六進(jìn)制表示。通過如下代碼，轉(zhuǎn)換為精確到1%的十進(jìn)制溫濕度值。

通過計(jì)時器setInterval（）每分鐘更新Chart 對象的數(shù)據(jù)集并顯示。由于手機(jī)屏幕尺寸小，每次能看到的數(shù)據(jù)量有限，本系統(tǒng)將每次更新的數(shù)據(jù)插入到數(shù)據(jù)集最前端，以保證看到的曲線能反映最新的數(shù)據(jù)值。每次更新數(shù)據(jù)時動態(tài)增加圖表寬度，通過DIV 嵌套隱藏屏幕外內(nèi)容，可以通過左右滑動的方式查看早些時候的圖表曲線。

3.4 數(shù)據(jù)分析

本系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)分析功能包括對睡眠安穩(wěn)度分析、踢被報(bào)警和出汗報(bào)警。

（1）睡眠安穩(wěn)度分析。通過對每小時內(nèi)采集溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，給出用戶每晚睡眠翻身移動頻率較高的時間段。方差是用來衡量數(shù)據(jù)波動的有效手段，方差越大，數(shù)據(jù)的波動越大；方差越小，數(shù)據(jù)的波動就越小。睡眠開始時，溫度會升高至一個穩(wěn)定值，作為均值。每個整時段采集到的60 個數(shù)值運(yùn)用方差可以看出溫度波動較大的時段。波動較小的時段睡眠安穩(wěn)度高，波動較大的時段翻身移動頻率較高。

（2）踢被報(bào)警。通過判斷溫度值和降溫情況，符合踢被條件時發(fā)出警報(bào)提醒用戶。根據(jù)溫度變化規(guī)律可知，踢被后溫度會持續(xù)下降，通過溫度是否持續(xù)下降可以判斷被子是否被踢開。但是由于正常睡眠翻身移動過程也會出現(xiàn)溫度波動，報(bào)警判斷不能只判斷溫度是否下降，對此，本系統(tǒng)增加了持續(xù)降溫時長和溫差兩個輔助條件。持續(xù)降溫時長設(shè)置得越長，越能保證踢被報(bào)警的精確度，但踢被報(bào)警的功能設(shè)置是為了及時發(fā)現(xiàn)被子被踢開，防止受涼感冒，如果時間設(shè)置過長，就失去了這個功能的意義。由溫度變化規(guī)律可知，在正常睡眠過程中的降溫時間，尤其是3 個傳感器持續(xù)降溫的時間不會超過7 min。本系統(tǒng)把判斷條件中時長默認(rèn)設(shè)置為8 min，也為用戶提供了自由設(shè)置時長的功能，用戶可以在5～30 min間任意設(shè)置時長。正常睡眠時，由于蠶絲被本身具有保暖性，溫度波動范圍較小，踢被后受室溫影響大，溫度下降較為明顯，因此，本系統(tǒng)增加溫差條件，在當(dāng)前溫度和最高溫度溫差達(dá)到4 ℃以上并持續(xù)降溫時間大于設(shè)定時長時，以響鈴和震動方式提醒用戶。

圖4 溫度圖表顯示

圖5 藍(lán)牙廣播數(shù)據(jù)

（3）出汗報(bào)警。通過判斷濕度值變化報(bào)警提醒用戶出汗情況。出汗會引起環(huán)境濕度值升高，傳感器檢測到濕度值持續(xù)上升時，以震動方式提醒用戶。

4 應(yīng)用前景

本系統(tǒng)在蠶絲被芯中適當(dāng)位置植入3 個微型、低功耗的溫度傳感器，結(jié)合移動端App 對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，實(shí)現(xiàn)了具有監(jiān)測睡眠狀況功能的智能蠶絲被新產(chǎn)品，有效填補(bǔ)了目前市場的空白，也為傳統(tǒng)真絲家紡行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級作了有益的探索。本系統(tǒng)主要面向幼童，針對幼童自我控制能力較差和抵抗力較弱、容易因踢被子受涼生病等問題，增加了監(jiān)測系統(tǒng)的蠶絲被，幫助父母了解幼童的睡眠情況，也可以在幼童踢被或出汗過多的第一時間提醒父母及時發(fā)現(xiàn)。本系統(tǒng)在目前溫濕度監(jiān)測的基礎(chǔ)上，還將繼續(xù)完善功能。智能蠶絲被有希望成為一種重要的嬰童寢具用品出現(xiàn)在大眾市場，也將會朝著更加高端化的方向不斷探索。